普朗克——能量的量子化

2020-12-24 佟咚咚

19世紀末,經典物理學在各個領域都取得了很大的成功,有牛頓的經典力學,還有電磁學都很完善了。甚至有許多物理學家認為物理學已經發展到頭了,後輩的物理學家只要做一些修補工作就行了。但是,在物流學晴朗天空遠處,還有兩朵令人不安的烏雲。這兩朵烏雲,一個是黑體輻射實驗,一個是麥可遜—莫雷實驗,正式這兩朵烏雲發展稱為一場革命風暴,烏雲下了雨,澆灌了兩朵鮮花,一朵是量子理論,一朵是相對論。

什麼是熱輻射:一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波,這種輻射與溫度有關。溫度越高,輻射越是波長較短的電磁波。煉鐵中融化的鐵就會發出很強的熱輻射,隨著溫度變化鐵的顏色由黑變紅變黃。除了熱輻射外,物體表面還會吸收和反射電磁波。常溫下看到的物體顏色是物體反射了該頻率的電磁波,吸收了其他頻率的電磁波。一些物體看起來很黑,主要是由於它吸收了大絕大部分電磁波,反射的很少。

什麼是黑體?如果一個物體在任何溫度下,都能完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射,就稱這種物體為絕對黑體。黑體是完全的吸收體,也是理想的輻射體。黑體輻射電磁波的規律只與黑體的溫度有關,因而可以反應具有普遍意義的規律。人造黑體模型——帶小孔的空腔。

通過給空腔體加熱,並研究其輻射規律,就可能得到不同溫度下黑體的單色幅出度隨波長(頻率)變化的關係曲線。德國物理學家維恩在1896年提出了輻射強度按波長分布的理論公式,維恩公式在短波部分與實驗結果吻合得很好,但長波不行。英國物理學家瑞利在1990年也提出了輻射強度按波長的分布理論公式,瑞利公司在長波部分與實驗結果較吻合,但在紫外區就算的輻射強度為無窮大,當時稱為紫外災難。

1900年,普朗克作出了大膽的假設:能量不連續,只能去某一最小能量的整數倍,能量是量子化的。物體發射或者吸收電磁輻射時交換能量的最小單位是能量子。

普朗克在德國物流學會會議上提出一個黑體輻射公式

普朗克公式與實驗結果符合,打破了一切自然過程能量都是連續的經典宏觀看法,標誌著量子時代的開始。

相關焦點

  • 普朗克
    這樣的話,就有「確定」的關於黑體輻射的性質,所以早在19世紀90年代,就出現了各種實驗或理論,來確定黑體的能量譜分布——一條描述給定溫度的黑體在不同頻率下電磁波輻射能量的曲線。,用公式將輻射的能量和頻率聯繫起來。
  • 普朗克常數
    從德國物理學家維恩通過熱輻射能譜的測量發現的熱輻射定理開始,到普朗克為了解釋熱輻射能譜提出了一個「在熱輻射的產生與吸收過程中能量是以hv(頻率為V的光子的能量)為最小單位,一份一份交換」的假設,再到愛因斯坦的光量子說,玻爾的原子量子理論。人們逐漸意識到除了經典物理理論,世界上還有量子力學理論。這是人類從未踏足過的領域。
  • 一個保守的科學家,卻革了物理學的命,普朗克是怎麼做到的?
    三、普朗克能量量子化假說由於跟隨著自己的老師玻爾茲曼,所以普朗克也加入到黑體輻射的研究隊伍中來。只不過,跟其他的物理學家們不同,普朗克是以熵的公式起家的,所以他思考物理問題的時候,不僅僅從能量的角度來思考問題,也會從熵的角度進行分析。
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  • 量子力學創始人普朗克,一開始不相信自己發現的理論
    左圖為:馬克斯·普朗克1900年普朗克在黑體輻射研究中提出的能量量子化假說是量子理論建立的前奏。儘管在最初的思考中普朗克並不贊同玻爾茲曼的統計理論,但由於他發現無法通過經典的熱力學定律來導出輻射定律,他不得不轉而嘗試統計規律,其結果就是普朗克黑體輻射定律。
  • 【科普向】什麼是普朗克常數?
    由普朗克公式擬合出的普朗克常數h,與後來人們測定的數值,只相差了1%![2] 人類就這樣窺見了量子世界的大門。         那麼,如何解釋這個普朗克公式呢?經過仔細的思索,普朗克得出了如下結論:        電磁波在發射和接收時,只能以一個最小單元的整數倍進行,這個能量的最小單元被稱為能量子:
  • 量子力學究竟對風華正茂的普朗克做了什麼?
    馬克斯·普朗克馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克(德語:Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858年4月23日—1947年10月4日),出生於德國荷爾施泰因,德國著名物理學家
  • 普朗克常數簡史
    1900年10月7日的夜晚,一個天才的想法在馬克斯·普朗克的頭腦中閃過,他設法解釋了熱物體輻射能量的方式。在19世紀整個後半葉,熱體發出的光的波長分布與其溫度的關係,始終是物理學的謎題之一。每個熱體發出光,並且當溫度增加時光的特性改變。
  • 黑體輻射、對應原理與零點能——普朗克老師的一箭三雕
    的形式,從而將熵 S 放到了主角的地位,這是普朗克得出正確的黑體輻射譜分布公式、引入輻射能量量子化 hν 的關鍵,也是熱力學過渡到統計物理的關鍵。在1900年以後的十多年裡,普朗克除了操心相對論動力學以外,思考熵、黑體輻射和能量量子化之間的內在不協調構成了他的「絕望行動」。1912年,普朗克再次發表了一篇關於黑體輻射的論文 (全文翻譯將發表在《物理》雜誌上) ,在一個新的振子輻射機制假設的基礎上,不僅又得到了一種黑體輻射譜分布公式的推導方式,還捎帶著第一次引入了對應原理以及零點能的概念。
  • 黑體輻射叛逆經典 普朗克釋放量子妖精
    但是,這種物理解釋使他迷惑,因為需要將黑體空腔器壁上的原子諧振子的能量,還有這些諧振子與腔內電磁波交換的能量,都解釋成一份一份的。簡單地用現在的物理術語說,就是黑體輻射的能量不是連續的,而是「量子化」的。如果有了這個量子化假設,原來連續分配的能量方案就需要修改為量子化的分配方案,修改方案時需要用到波爾茲曼的統計力學,來重新推導量子化後能量分布的統計規律。
  • 普朗克、薛丁格和德布羅意的悲劇
    為什麼將所有微觀世界裡的物質都量子化(事實上就是粒子化)呢? 普朗克是粒子學家嗎?  19世紀末,人們用經典物理學解釋黑體輻射實驗的時候,出現了著名的「紫外災變」問題。 德國物理學馬克斯·普朗克(Max Planck)認為,不能假定電磁波連續輻射,必須假定輻射(或吸收)的能量不是連續地、而是一份一份地進行的,只能取某個最小數值的整數倍。這個最小數值就叫能量子,輻射頻率是ν的能量的最小數值。這就是普朗克方程E=hν。E表示能量,ν為輻射電磁波的頻率,h為一常量,即普朗克常數。
  • 黑體輻射、對應原理與零點能——普朗克老師的一箭三雕|賢說八道
    ——玻爾茲曼1877年就引入了動能量子化得到了氣體的麥克斯韋分布公式,而量子化說到底還是回到了1854年黎曼引入quanta一詞時的本義,即幾何量子化。在這篇文章中,普朗克不僅再次如願以償地得到了黑體輻射公式,關鍵是他還第一次使用了對應原理 (這是後來構建量子理論時會頻繁用到的一種方法,比如狄拉克就成功地用這個原理導出了量子化條件) ,還第一次導出了振子的零點能,hν。也就是說,普朗克老師在這篇文章中完成了物理學概念層面上的一箭三雕。就筆者所知,這應該算是絕無僅有的了,我不知道物理史上還有哪個單篇有如此高的成就。
  • 「歷史人物」普朗克,宣告牛頓時代終結的使者
    1897年,哥廷根大學哲學系授獎給普朗克的專著《能量守恆原理》。1889年4月,亥姆霍茲通知普朗克前往柏林,接手基爾霍夫的工作,1892年接手教職,年薪約6200馬克。1894年,普朗克被選為普魯士科學院的院士。
  • 量子力學的核心,普朗克常數
    極小的普朗克常數:6.63×10^-34 J·s,規定了這種量子模糊的尺度。在許多方面,它定義了量子世界的可分割性。普朗克常數基本都會出現在描述量子現象的方程中。例如海森堡不確定性原理,德布羅意物質波,還有薛丁格方程,電子軌道能級,以及光子能量與頻率之間的關係。
  • 量子序曲之普朗克常數
    比如:今天我們要求一個物理理論必須符合相對論,並且可以量子化。但引力的理論是個例外,我們還沒有一個令人滿意的可以量子化的引力理論。尋找以太的失敗使愛因斯坦的狹義相對論脫穎而出,在這個框架裡以太是個多餘的概念,這個詞被取消了,所以自然也不需要找了。狹義就是特殊(special)的意思,即我們只研究勻速運動。
  • 世界不是連續的:普朗克首次提出量子概念,動搖了經典力學的根基
    普朗克首次提出量子概念對於這樣一個完美的公式,普朗克卻不能給出一個理論解釋,這是十分荒誕的,普朗克發現:只有假設能量在傳播的過程中,不是連續不斷的,不存在無限小的單位,而是必須被分成一段、一段的,能量傳播必須有一個最小單位,這個完美的公式及黑洞輻射的問題只有使用這種假設才能被解釋的通
  • 普朗克的黑體輻射公式是怎麼得出的?
    1問題的提出高中物理教科書(以人教版為例)在講授「能量量子化"內容時,首先指出「我們周圍的一切物體都在輻射電磁波,這種輻射與物體溫度有關,所以叫熱輻射。"基於日常生活經驗,這是學生可以接受的。為了得出與實驗相符的理論公式,四闐年底,普朗克放棄了維恩和瑞利以經典物理觀點為準則的「帶電粒子的振動能量是連續的"認知,提出了「振動著的帶電粒子的能量只能是某一最小能量的整數倍"的觀點,由此得出了與實驗完美符合的黑體輻射的強度按波長分布的理論公式。
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    1967年,以銫原子特定能級之間的躍遷頻率對時間單位秒的量子化定義,使秒成為最著名和最成功的量子化計量單位。量子計量基準的準確性也受限於一些物理法則,例如,量子計量基準的低不確定度源於微觀粒子在能級間的特定躍遷的高穩定性,而從目前的物理學知識來看,自然常量(如真空中光速c、普朗克常數h、玻爾茲曼常數k、電子電荷e等)是恆定不變的,而且不依賴於具體物理過程。
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    宇宙的動力,釋放出來時是能量,隱藏起來就化為質量。比如,大爆炸後的第一個普朗克時間(10^-43秒),宇宙溫度達到1億億億億開氏度,任何粒子都無法形成,所有的能量都儲存在宇宙最初的能量海——希格斯海中。